火龙出碧波,直上九重霄:多图回顾中国海上发射火箭历程
来源:世界风情画(ID:finkeeper)
作者:妤妤姐
10月7日21时10分,由航天科技集团一院抓总研制的长征十一号运载火箭在海阳港附近近岸海域,以“一箭双星”方式发射微厘空间北斗低轨导航增强系统S5/S6试验卫星,卫星顺利送入预定轨道,发射取得圆满成功。
据了解,海阳市位于山东半岛东南部,坐落于此的东方航天港是按照航天研发、制造、发射一体化思路建设的航天产业集群,既是运载火箭的生产基地,也是航天发射星箭准备的技术中心。
经过近几年的发展,东方航天港先后完成了中国首次海上发射和首次海上商业化应用发射。今年4月30日,国内首次“一站式”海上发射,实现火箭总装、总测、出港、发射一体化的历史性突破。10月7日,东方航天港再次创造中国卫星近岸问天新纪录。
为何要在海上发射火箭?中国海上火箭发射又走过了怎样的历程呢?
原因在于,我们生活的地球,71%表面积被水域覆盖,对于很多国家来说,如果使用陆地作为发射场,也许会有各种局限,比如纬度高的地方适合发射轨道为北极至南极的极地卫星,而且,不能很好地利用地球自转赋予卫星的初速度,因为在地球上,不管哪个地方,自转的角速度都是接近360°/24h,那么,纬度高的国家由于纬线比较短,所以自转的线速度就不够,在卫星发射升空后,要么需要加速、减速、调整姿态多次,才能进入赤道轨道,要么因初速度达不到第一宇宙速度(7.9km/s)而坠落,或者直接因加速过“狠”而被抛到茫茫天空中。
此外,在可回收火箭发明之前,火箭的各动力级、助推火箭、包装卫星的整流罩等零部件在空中脱落,也容易“砸伤”地面的人、物,还造成环境污染。比如日本设置在种子岛上的火箭发射场由于捕鱼工会的抗议,该发射场发射作业被限制在两个49天的周期内,平均每年只许发射4次。这样就很难安排因技术问题而推迟的发射。
于是,进入20世纪60年代,随着海上钻井平台、填海造地科技的发展,利用海上水域较多,且很多水域不归特定国家所有的特点,在海上平台发射火箭,以便更好地将人造卫星送入太空,就成了科学界热议的话题。
1962年, 意大利决定在非领海建造发射平台,该国的国有石油企业担此重任,并命名该发射台为“神圣的象征”(Saint Mark),也叫“圣马科海上发射场”,这样意大利首个空间项目圣马科(San Marco)也由此得名,该项目最初在1962年,由罗马大学和美国国家航天局(NASA)签订关于圣马科项目的合作协议。与 NASA合作,其中包括还未与海上基地直接联系的最初阶段。研究小组对圣马科这一命名非常满意,因为Saint Mark还是威尼斯的守护神,同时也寓意着航海人的守护神。
圣马科海上发射场位于非洲东部肯尼亚东海岸的恩格瓦纳海湾。距海岸4.8千米,有一个巨大的海上平台,这是圣马科发射台,而在其东北方向1千米处还有一个控制平台,叫桑塔·里塔(Santa Rita)控制台。经过4年建设,该海上发射场于1966年投入使用,这也是全世界第一个海上火箭发射平台。圣马科海上发射场最初用于美国“侦察兵”运载火箭的发射。“侦察兵”运载火箭是一种四级固体小型运载火箭 ,是美国与苏联太空竞赛初期的成果,自20世纪50年代末以来,先后研制出三大系列30多种型号。美国使用“侦察兵”系列火箭主要发射探险者号轨道探测器、电火箭试验卫星以及军用秘密卫星,同时也为欧洲国家发射一些科学探测和试验方面的卫星,例如意大利研制的圣马科2号小型科学探测卫星。
圣马科发射台是座宽30米、长100米的长方形发射台,从1966年投入使用后,先后数十次发射卫星,直到1988年,才因设备老化、技术故障频出,而被弃置。
无独有偶,1995年,美国波音公司、乌克兰南方公司、俄罗斯能源科研生产公司和挪威克韦尔纳公司组成一个海上发射公司,它们准备在地球赤道附近的海洋上建立一个与圣马科相类似的海上发射平台,也是由两部分组成,一部分用于发射,一部分用作控制中心。不同之处是这个平台是安装在一艘船上。
为此,这个跨国联合体也将该海上发射平台命名为“海上发射系统”(SLS)。
该平台从1997年落成以来,截至2014年,已往返赤道35次。
一般来说,“海上发射系统”平台的操作流程是:先在加州长滩的母港接收客户送来的人造卫星。卫星在有效载荷处理设施中充能和封装之后,集成有效载荷单元便被转移到组装和指挥船,以便送上运载火箭。
待卫星和火箭都准备好后,发射平台(LP)和指挥船(ACS)就一同出海了。其中,ACS是一种特殊设计的船只,在港口作为浮动火箭组装工厂,为船员和客户提供住宿,还为海上发射提供任务控制设施。ACS长201米,宽约32米,排水量34000多吨,续航里程18000海里。
而名为“奥德赛”的LP则是前北海石油钻井平台,在挪威斯塔万格的罗森伯格造船厂进行了翻新。发射平台长133米,宽约67米,空载吃水排水量3万吨,水下吃水排水量5.06万吨。
到达预定海域后,LP就放下锚链,固定住,准备发射,而发射指挥和控制位于ACS上,为讲英语和俄语的发射团队提供特殊的操作单元。在双向翻译服务中管理操作。发射完成后,SLS便返回母港,准备下一次发射。
而中国的海上发射任务起步虽然晚于欧美,但后发优势亦令人自豪。
2019年,中国在黄海南部海域完成了使用长征-11型火箭的首次海上发射任务。首次海上发射使用的发射平台,有消息称是万吨级大型半潜式平板驳船改造而成,它的甲板面积十分巨大,长110米,宽近80米,比spacex回收船(长91米,宽52米)更大。由它改装成的发射平台,可以同时容纳火箭、各种保障车辆以及设备。由于自升式平台构型的独特优势,该型平台还在平台甲板下设置了燃气导流槽装置,从而可以相对安全地发射更为常见、推力更大的液体式运载火箭。
此外,发射平台还设置了直升机起降场,从而使发射平台拥有垂直补给作业能力。
值得一提的是,中国海上发射技术比之外国同行,则更为可靠和成熟,海上发射长征11号火箭的另一个特点就是采用冷发射方式,即依靠高压气体把几十吨重的火箭弹出发射筒后在半空中再点火启动。这样可以避免发射平台遭到火箭喷射的火焰损害,从而实现发射平台的重复利用、火箭的快速装填再次发射。
2020年9月,中国又在黄海海域完成了“一箭九星”的第二次海上发射。
2022年5月,中国再次完成第三次海上卫星发射。
中国的海上火箭发射,从技术的借鉴者,成为了技术的引领者,也为开发太空,造福世界,作出了卓越的贡献。
参考资料:
1、关于中国首次海上航天发射,你想了解的都在这儿~(了不起的中国制造)
2、Sea Launch System(designworldonline)
3、Launching a rocket from sea(designworldonline)
4、San Marco Platform(structurae)
5、超高清实拍!4K视频看海上火箭发射(环球网)
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